Ottimizzazione economica delle procedure di startup e shutdown in colonne di distillazione

Startup and shutdown stages are critical and often troublesome operations along the life cycle of a unit, process or chemical plant. The correct performance of the procedures directly affects the safety, the duration, and the profit. The goal of this thesis has been to outline a methodology aimed at the optimization of startup and shutdown procedures. Specifically, the analysis focused on one of the most widely used equipment in process industry, namely the distillation column. The work begun by reviewing the relevant literature with the purpose of defining the start up and shut down procedures of the chemical unit. The paper Generalized dynamic model for distillation columns-III. Study of Startup Operation of Ruiz, Cameron e Gani of 1988, in particular, represented an essential study upon which the thesis has been drafted. Indeed, from this paper it has been possible to extrapolate the specific distillation column configuration that represented the study subject, that is a binary distillation column of iso-butane and normal-pentane. For the achievement of the final goal, the authors relied on both simulation software UniSim Design and computational software MATLAB. Firstly, the distillation column has been designed and the two dynamic procedures have been simulated employing UniSim software; subsequently, specific codes for the optimization of the procedures have been written using MATLAB. These were designed on a complete research method based on the grid concept. Degrees of freedom and economic objective function were both defined in order to reach the intended goals. The results demonstrate that, through the proposed optimization methodology, it has been possible to obtain a net economic advantage without decreasing the safety and the stability during the process.

Le fasi di startup e shutdown sono operazioni critiche e spesso problematiche lungo il ciclo di vita di un’unità, processo o impianto chimico. Il corretto andamento delle procedure influisce direttamente sulla sicurezza, la durata temporale e il profitto economico. Obiettivo di questo elaborato di tesi è stato la delineazione di una corretta metodologia per l’ottimizzazione delle procedure di startup e shutdown, nello specifico caso di una delle apparecchiature più utlizzate nell’industria di processo: la colonna di distillazione. Il lavoro è partito dalla definizione delle due procedure di accensione e spegnimento dell’unità chimica basandosi sulla letteratura di settore. Fondamentale alla realizzazione di questa tesi è stato l’articolo Generalized dynamic model for distillation columns-III. Study of Startup Operation di Ruiz, Cameron e Gani del 1988, dal quale è stato possibile estrapolare la colonna di distillazione presa come oggetto di studio: una colonna di separazione binaria di iso-butano e normal-pentano. Per il conseguimento dello scopo finale sono stati utilizzati in maniera congiunta il software di simulazione UniSim Design e il software di calcolo MATLAB. In particolare, in una fase iniziale è stata dimensionata la colonna di distillazione e simulate le due procedure dinamiche in UniSim; successivamente sono stati scritti gli appositi codici in MATLAB per l’ottimizzazione delle procedure secondo un metodo esaustivo e globale di ricerca basato sul concetto di griglia. A tal scopo sono stati definiti i gradi di libertà nei quali muoversi e una funzione obiettivo economica. I risultati ottenuti mostrano come attraverso la metodologia di ottimizzazione adottata è stato possibile ottenere un netto vantaggio economico senza avere implicazioni a scapito di sicurezza o stabilità.